Радиоактивность в науках о жизни - Radioactivity in the life sciences

Радиоактивность обычно используется в науках о жизни для высокочувствительных и прямых измерений биологических явлений, а также для визуализации местоположения биомолекулы радиоактивно меченый с радиоизотоп.

Все атомы существуют как стабильные или нестабильные изотопы а последние распадаются при заданном период полураспада от аттосекунд до миллиардов лет; радиоизотопы, полезные для биологических и экспериментальных систем, имеют период полураспада от минут до месяцев. В случае изотопа водорода тритий (период полураспада = 12,3 года) и углерод-14 (период полураспада = 5730 лет), эти изотопы получают свое значение от всей органической жизни, содержащей водород и углерод, и поэтому могут использоваться для изучения бесчисленных жизненных процессов, реакций и явлений. Большинство короткоживущих изотопов производятся в циклотроны, линейный ускорители частиц, или же ядерные реакторы и их относительно короткий период полураспада дает им максимальную теоретическую удельную активность, которая полезна для обнаружения в биологических системах.

DOTA, связанный с моноклональным антителом такатузумаб и хелатирование иттрий-90

ПЭТ всего тела с использованием ¹⁸F-FDG показывает опухоли кишечника и неспецифическое накопление в мочевом пузыре

Радиомаркировка это метод, используемый для отслеживания прохождения молекулы, которая включает радиоизотоп, через реакцию, метаболический путь, клетку, ткань, организм или биологическую систему. Реагент маркируется заменой определенных атомов их изотопами. Замена атома собственным радиоизотопом - это внутренний метка, не изменяющая структуру молекулы. В качестве альтернативы молекулы могут быть помечены радиоактивным изотопом с помощью химических реакций, которые вводят атом, часть, или же функциональная группа который содержит радионуклид. Например, радиоимодирование пептидов и белков с помощью биологически полезные изотопы йода легко осуществляется реакцией окисления, которая заменяет гидроксильную группу йодом на тирозин и гистадин остатки. Другой пример - использование хелаторов, таких как DOTA которые могут быть химически связаны с белком; хелатор, в свою очередь, улавливает радиоактивные металлы, таким образом мечая белок. Это было использовано для введения иттрия-90 в моноклональное антитело в терапевтических целях и для введения галлия-68 в пептид. Октреотид для диагностической визуализации ПЭТ-визуализация.^[1] (Видеть DOTA использует.)

Для некоторых приложений радиомаркировка не требуется. Для некоторых целей растворимые ионные соли можно использовать напрямую без дальнейшей модификации (например, галлий-67, галлий-68, и радиоактивный йод изотопы). Эти виды использования зависят от химических и биологических свойств самого радиоизотопа, чтобы локализовать его в организме или биологической системе.

Молекулярная визуализация это биомедицинская область, в которой радиоактивные индикаторы используются для визуализации и количественной оценки биологических процессов с использованием позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) и однофотонная эмиссионная компьютерная томография (ОФЭКТ) изображения. Опять же, ключевой особенностью использования радиоактивности в приложениях для биологических наук является то, что это количественный метод, поэтому ПЭТ / ОФЭКТ не только показывает, где находится молекула с радиоактивной меткой, но и сколько там.

Радиобиология (также известная как радиационная биология) - это область клинических и фундаментальных медицинских наук, которая включает изучение воздействия радиоактивности на биологические системы. Контролируемое действие вредоносной радиоактивности на живые системы является основой радиационная терапия.

Примеры биологически полезных радионуклеаров

Водород

Тритий (Водород-3) очень низкий бета излучатель энергии, который можно использовать для маркировки белки, нуклеиновые кислоты, лекарства и практически любые органические биомолекулы. Максимальная теоретическая удельная активность трития составляет 28,8 Ci /ммоль (1,066 ПБк / моль).^[2] Однако часто на молекулу приходится более одного атома трития: например, тритийсодержащий UTP продается большинством поставщиков с атомами углерода 5 и 6, каждый из которых связан с атомом трития.

Для обнаружения трития, жидкость сцинтилляционные счетчики были классически использованы, в которых энергия распада трития передается сверкающий молекула в растворе, которая, в свою очередь, испускает фотоны, интенсивность и спектр которых можно измерить с помощью фотоумножитель множество. Эффективность этого процесса составляет 4–50% в зависимости от используемого сцинтилляционного коктейля. ^[3]^[4] Измерения обычно выражаются в отсчетов в минуту (CPM) или распадов в минуту (DPM). В качестве альтернативы твердотельный, специфичный для трития люминофорный экран может использоваться вместе с фосфорным сканером для измерения и одновременного изображения радиоиндикатора.^[5] Измерения / изображения являются цифровыми по своей природе и могут быть выражены в единицах интенсивности или денситометрии в пределах одного регион интереса (ROI).

Углерод

Углерод-14 имеет длительный период полураспада 5730 ± 40 лет. Его максимальная удельная активность составляет 0,0624 Ки / ммоль (2,31 ТБк / моль). Он используется в таких приложениях, как радиометрическое датирование или тесты на наркотики.^[6] Маркировка C-14 является обычным явлением при разработке лекарств. ADME (абсорбция, распределение, метаболизм и выведение) исследования на животных моделях, токсикологические и клинические испытания на людях. Поскольку обмен трития может происходить в некоторых соединениях с радиоактивной меткой, этого не происходит с C-14, и поэтому он может быть предпочтительным.

Натрий

Натрий-22 и хлор-36 обычно используются для изучения ионные транспортеры. Однако натрий-22 трудно отфильтровать, а хлор-36 с периодом полураспада 300 000 лет имеет низкую активность.^[7]

Сера

Сера-35 используется для маркировки белков и нуклеиновых кислот. Цистеин является аминокислота содержащий тиоловая группа который можно обозначить как С-35. За нуклеотиды которые не содержат группы серы, кислород в одной из фосфатных групп может быть замещен серой. Этот тиофосфат действует так же, как и обычная фосфатная группа, хотя большинство полимеразы. Максимальная теоретическая удельная активность составляет 1,494 Ки / ммоль (55,28 ПБк / моль).

Фосфор

Фосфор-33 используется для маркировки нуклеотидов. Он менее энергичен, чем P-32, и не требует защиты оргстеклом. Недостатком является его более высокая стоимость по сравнению с P-32, так как большинство бомбардируемых P-31 получит только один нейтрон, в то время как только некоторые приобретут два или более. Его максимальная удельная активность составляет 5118 Ки / ммоль (189,4 ПБк / моль).

Фосфор-32 широко используется для мечения нуклеиновых кислот и фосфопротеинов. Он имеет самую высокую энергию излучения (1,7 МэВ) среди всех распространенных исследовательских радиоизотопов. Это главное преимущество в экспериментах, для которых чувствительность является основным соображением, таких как титрование очень сильных взаимодействий (то есть очень низкой константы диссоциации), эксперименты с отпечатками пальцев и обнаружение фосфорилированных видов с низким содержанием. 32P также относительно недорого. Однако из-за его высокой энергии его безопасное использование требует ряда инженерный контроль (например., акриловое стекло ) и административный контроль. Период полувыведения 32P составляет 14,2 дня, а его максимальная удельная активность составляет 9131 Ки / ммоль.

Йод

Йод-125 обычно используется для маркировки белков, обычно по остаткам тирозина. Несвязанный йод летуч, с ним необходимо работать в вытяжном шкафу. Его максимальная удельная активность составляет 2176 Ки / ммоль (80,51 ПБк / моль).

Хорошим примером разницы в энергии различных радионуклеаров являются диапазоны окна обнаружения, используемые для их обнаружения, которые обычно пропорциональны энергии излучения, но варьируются от машины к машине: в сцинтилляционном счетчике Perkin Elmer TriLux Beta Окно диапазона энергий H-3 находится между каналом 5–360; C-14, S-35 и P-33 находятся в окне 361–660; а П-32 находится в окне 661–1024.^{[нужна цитата ]}

Обнаружение

Рентгенограмма среза коронковой ткани головного мозга с радиоактивно меченным зондом GAD67. Наиболее интенсивный сигнал наблюдается в субвентрикулярной зоне.

Авторадиограф саузерн-блот-мембраны

Количественный

В жидкостный сцинтилляционный счет, небольшая аликвота, фильтр или тампон добавляется к сцинтилляционной жидкости, и планшет или флакон помещается в сцинтилляционный счетчик для измерения радиоактивных выбросов. Производители включили твердые сцинтилляторы в многолуночные планшеты, чтобы исключить необходимость в сцинтилляционной жидкости и превратить это в высокопроизводительный метод.

А гамма-счетчик аналогичен по формату сцинтилляционному счету, но непосредственно определяет гамма-излучение и не требует сцинтилляционного агента.

А счетчик Гейгера это быстрое и грубое приближение к деятельности. Излучатели с меньшей энергией, такие как тритий, не могут быть обнаружены.

Качественный и количественный

Авторадиография: Срез ткани, прикрепленный к предметному стеклу микроскопа или мембране, такой как Нозерн-блот или гибридный слот-блот могут быть помещены напротив рентгеновских пленок или люминофорных экранов для получения фотографического или цифрового изображения. Плотность экспонирования, если она откалибрована, может предоставить точную количественную информацию.

Экран хранения люминофора: Слайд или мембрана помещается напротив люминофорного экрана, который затем сканируется в фосфорный сканер. Это во много раз быстрее, чем методы пленки / эмульсии, и выводит данные в цифровом виде, поэтому он в значительной степени заменил методы пленки / эмульсии.

Микроскопия

Электронная микроскопия: Образец не подвергается воздействию пучка электронов, но детекторы улавливают выброшенные электроны из радионуклеарных ядер.

Микроавторадиография: срез ткани, обычно криосрезов, помещают напротив люминофорного экрана, как указано выше.

Количественная авторадиография всего тела (QWBA): Более крупные, чем микроавторадиография, целые животные, обычно грызуны, могут быть проанализированы для исследований биораспределения.

Научные методы

Регресс Шильда представляет собой анализ связывания радиолиганда. Он используется для маркировки ДНК (5 'и 3'), оставляя нуклеиновые кислоты нетронутыми.

Концентрация радиоактивности

Флакон с радиоактивной меткой обладает «общей активностью». На примере γ32P АТФ, из каталогов двух основных поставщиков, Perkin Elmer NEG502H500UC или GE AA0068-500UCI, в этом случае общая активность составляет 500 мкКи (другие типичные числа - 250 мкКи или 1 мКи). Он содержится в определенном объеме в зависимости от радиоактивной концентрации, например от 5 до 10 мКи / мл (от 185 до 370 ТБк / м3.³); типичные объемы включают 50 или 25 мкл.

Не все молекулы в растворе имеют P-32 на последнем (т.е. гамма) фосфате: «удельная активность» дает концентрацию радиоактивности и зависит от периода полураспада радионуклеаров. Если каждая молекула была помечена, максимальная теоретическая удельная активность для P-32 составляет 9131 Ки / ммоль. Из-за проблем с предварительной калибровкой и эффективностью это число никогда не встречается на этикетке; часто встречаются значения 800, 3000 и 6000 Ки / ммоль. С помощью этого числа можно рассчитать общую химическую концентрацию и соотношение горячего и холодного.

«Дата калибровки» - это дата, когда активность флакона совпадает с данными на этикетке. «Предварительная калибровка» - это когда активность калибруется в будущем, чтобы компенсировать распад, произошедший во время транспортировки.

Сравнение с флуоресценцией

До широкого использования флуоресценция в последние три десятилетия радиоактивность была самым распространенным ярлыком.

Основное преимущество флуоресценции перед радиоиндикаторами состоит в том, что она не требует радиологического контроля и связанных с этим затрат и мер безопасности. Распад радиоизотопов может ограничивать срок годности реагента, требуя его замены и тем самым увеличивая расходы. Одновременно можно использовать несколько флуоресцентных молекул (при условии, что они не перекрываются, ср. FRET), тогда как при радиоактивности две изотопы может быть использован (тритий и изотоп с низкой энергией, например ³³п из-за разной интенсивности), но требует специального оборудования (тритиевый экран и обычный люминофорный экран для визуализации, специальный двухканальный детектор, например [1] ).

Нет необходимости в том, чтобы флуоресценцию было проще или удобнее использовать, потому что для флуоресценции требуется собственное специализированное оборудование и потому что закалка затрудняет абсолютную и / или воспроизводимую количественную оценку.

Основным недостатком флуоресценции по сравнению с радиоактивными индикаторами является значительная биологическая проблема: химическая пометка молекулы флуоресцентным красителем радикально меняет структуру молекулы, что, в свою очередь, может радикально изменить способ взаимодействия этой молекулы с другими молекулами. Напротив, внутреннее радиоактивное мечение молекулы может быть выполнено без какого-либо изменения ее структуры. Например, замена атома водорода на H-3 или атома углерода на C-14 не меняет конформации, структуры или каких-либо других свойств молекулы, а просто меняет формы одного и того же атома. Таким образом, молекула с внутренней радиоактивной меткой идентична своему немеченому аналогу.

Измерение биологических явлений с помощью радиоиндикаторов всегда осуществляется напрямую. Напротив, многие приложения флуоресценции в биологических науках являются косвенными, состоящими из флуоресцентного красителя, увеличивающего, уменьшающего или изменяющего длину волны излучения при связывании с интересующей молекулой.

Безопасность

Если хорошо физика здоровья контроль осуществляется в лаборатории, где используются радионуклиды, маловероятно, что общая доза облучения, полученная работниками, будет иметь большое значение. Тем не менее, влияние низких доз в основном неизвестно, поэтому существует множество правил, позволяющих избежать ненужных рисков, таких как воздействие на кожу или внутреннее облучение. Из-за низкой проникающей способности и множества задействованных переменных радиоактивную концентрацию трудно преобразовать в дозу. 1 мкКи P-32 на квадратный сантиметр кожи (через мертвый слой толщиной 70 мкм) дает 7961 рад (79.61 серые ) в час . Аналогичным образом маммограмма дает экспозицию 300 мрем (3 мЗв ) на больший объем (в США средняя годовая доза составляет 620 мбэр или 6,2 мЗв.^[8] ).